高中生物 生态工程的基本原理 课件新人教版选修1.ppt

第五章生态工程 作者 湖北省浠水实验高级中学余帆 20世纪末世界人口突破了60亿 截至2005年6月 世界人口已达64 77亿 随着现代农业生产的发展 人类活动遍布地球的每个角落 地球上已经难以找到一个没有受到人类影响的地方 原始的生态系统几乎丧失 全球生态环境危机不断激化 生态工程是指人类应用生态学和系统学等学科的基本原理和方法 通过系统设计 调控和技术组装 对已被破坏的生态环境进行修复 重建 对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善 并提高生态系统的生产力 从而促进人类社会和自然环境的和谐发展 第一节生态工程的基本原理 生态工程建设的目的是 遵循自然界物质循环的规律 充分发挥资源的生产潜力 防止环境污染 达到经济效益和生态效益的同步发展 与传统的工程相比 生态工程是一类少消耗 多效益 可持续的工程体系 一 关注生态工程建设 分析传统经济模式带来哪些问题 资料分析 资料1 1998年夏季 长江流域经历了自1954年以来的最大洪灾 加上其他地区水灾 1998年全国受灾人数上亿 近500万所房屋倒塌 2000多万公顷的土地被淹 直接经济损失达1600多亿元人民币 讨论 1 导致1998年长江洪水泛滥的主要原因是什么 根本原因 长江上游乱砍滥伐森林 水源涵养和水土保持功能急剧降低 造成大量泥沙淤积河道 中游围湖造田 乱占河道 造成具有蓄洪作用的湖泊面积急剧减少 直接原因 1998年度的罕见降雨 但这也与全球温室气体排放量增加而导致的温度升高 气候异常有关 解决长江洪水泛滥的措施有 我国政府提出的 积极营造长江中上游水源涵养林和水土保持林 计划 即以生物措施为主 结合工程措施 提高森林覆盖率 退耕还湖 和改革不合理耕作方式等 2 洪灾的发生反映出经济发展模式存在什么问题 传统的经济发展模式不注重生态环境的保护 没有考虑生态成本 经济的发展以巨大的生态环境破坏为代价 资料2 我国是农业大国 人均土地 水等资源占有量远低于世界平均水平 虽然我国用占世界10 的耕地养活了占世界21 的人口 我国受到西方 石油农业 模式的影响 讨论 你对 石油农业 是如何理解的 石油农业 大量使用化肥 农药和机械的生产方式 需要大量的石油 煤 天然气等作为原料或动力 把农业生产变成了机械过程和化学过程 废弃物和有害物质的数量很庞大 在不同的国家有不同的改进措施 例如 在我国 人多地少 应该大力发展生态农业 你能举出一些农业生产活动对人体健康以及环境造成危害的实例吗 除日常生活中能够发现的实例外 农业活动对环境和人类健康造成危害的实例中 世界上影响较大的有蓝婴病 1973年 美国内布拉斯加州首次出现幼儿高铁血红蛋白症 蓝婴病 其原因是饮用水中硝酸盐含量超过10mg l 这时过多的硝酸盐会与红细胞中的血色素结合 形成高铁血红蛋白 高铁血红蛋白不能为细胞和组织运输足够的氧 患儿的临床症状是在口 手或脚等部位出现时断时续的蓝色或淡紫色 呼吸困难 腹泻 呕吐 抽搐 严重的会失去知觉 甚至死亡 硝酸盐来源于点源污染 如下水道 畜禽养殖场等 或非点源污染 如对农田 公园 草地等的施肥 传统经济模式 毁坏水 大气 土壤和生物资源 消耗地球赠给我们的自然资本 并造成环境污染 对环境造成危害的污染物 采用一定的措施和技术 就能够进行回收和循环利用 这样不但能够减少环境污染 而且提高了资源的利用效率 减少了资源的浪费 例如 对废污水中的重金属或氮 磷等养分就可以进行回收再利用 因此说污染物是放错了地方没有被利用的资源 如何理解 污染物是放错地方的资源 这句话 在不同的国家有不同的改进措施 例如 在我国 人多地少 应该大力发展生态农业 实施的具体措施包括 可以根据田间作物的需要适量施用高效 低毒 低残留的农药 多施有机肥 提高作物对水 肥等资源的利用效率 对作物秸秆和畜禽粪便进行再利用 实现物质的多级利用 等等 一方面要不断提高土地的产出水平 另一方面要减少农业活动对环境的污染 促进社会的可持续发展 4 石油农业的生产模式应当怎样改进 生态经济 主要是通过实行 循环经济 的原则 使一个系统产出的污染物 能够成为本系统或者另一个系统的生产原料 从而实现废弃物的资源化 为实现循环经济最重要的手段之一 为了可持续发展 走生态经济之路 生态工程是人类学习自然生态系统 智慧 的结晶 是生态学 工程学 系统学 经济学等学科交叉而产生的新兴学科 生态工程主要由生物种群 生物群落和生态系统构成 生态工程的构建和运行主要依据是生态学的基本原理 二 生态工程所遵循的基本原理 1 物质循环再生原理地球以有限的空间和资源 长久维持着众多生物的生存 繁衍和发展 奥秘就在于物质能够在各类生态系统中 进行区域小循环和全球地质大循环 循环往复 分层分级利用 从而达到取之不尽 用之不竭的效果 无废弃物农业 我国古代传统农业的辉煌成就之一 是生态工程最早和最生动的一种模式 无废弃物农业 通过积极种植能够固氮的豆科作物 以及收集一切可能的有机物质 包括人畜粪便 枯枝落叶 残羹剩饭 河泥 炕土 老墙土以及农产品加工过程中的废弃物等 采 用堆肥和沤肥等多种方式 把它们转变为有机肥料 施用到农田中 改善了土壤结构 培育了土壤微生物 实现了土壤养分如氮 磷 钾及微量元素的循环利用 2 物种多样性原理 单一的樟子松林被松毛虫害死 食物链短而单调 缺少松毛虫 天牛的天敌 生物多样性很高的珊瑚礁维持的很好 纯樟子松林 杨树林的生物多样性低 食物链短而单调 缺少松毛虫 天牛的天敌 而成片单一的林木又为其提供了丰富的食物来源 因而会导致了树林的毁坏 珊瑚礁区的生物多样性高 食物链复杂 不同的生物占据了不同的时间位 空间位和资源位 因而充分利用了珊瑚礁生态系统的环境 例如 氮 磷等养分就能够在该区生物体间充分地循环利用而很少流出系统外 纯樟子松林 杨树林的生物多样性低 食物链短而单调 缺少松毛虫 天牛的天敌 而成片单一的林木又为其提供了丰富的食物来源 因而会导致了树林的毁坏 珊瑚礁区的生物多样性高 食物链复杂 不同的生物占据了不同的时间位 空间位和资源位 因而充分利用了珊瑚礁生态系统的环境 例如 氮 磷等养分就能够在该区生物体间充分地循环利用而很少流出系统外 1 为什么樟子松林的松毛虫会肆虐 几十亿株杨树会毁于一旦 而珊瑚礁区却能够在养分稀少的深海中 保持着很高的生物多样性 从上面正面和反面的实例 你能得出怎样的结论 你认为生物多样性的破坏有人为因素吗 只有保持生态系统较高的生物多样性 才能保证生态系统的稳定和平衡 生物多样性的破坏有人为因素 而且往往作用巨大 物种多而繁杂的生态系统具有较高的抵抗力稳定性 生物多样性程度高 可以为种类生物的生存提供多种机会和条件 众多的生物通过食物链关系互相依存 就可以在有限的资源条件下 产生或容纳更多的生物量 提高系统生产力 3 协调与平衡原理 由于周边城市 工业和农田的排水中氮 磷的浓度较高 使太湖水体中的水葫芦和藻类疯长 生物与环境的协调也是考虑的问题之一 需要考虑环境承载力即环境容纳量 西北地区年降雨量450nm 只适宜种植灌木和草的地区 却被硬性规定种植属于乔木的杨树 杨家将 因为不适应长成了 小老头 防护林变成了残败的 灰色长城 西部大开发 是国家为振兴西部而提出的宏观决策 其中很重要的一项内容就是生态工程建设 从协调与平衡原理出发 想一想 在我国西北地区进行防护林建设时 应选择哪些树种 如果在该地区发展畜牧养殖业 你认为应该注意什么问题 几种西北地区特别适宜树种的介绍 1 沙棘 俗称 酸柳 酸刺 黑刺 属于胡颓子科 为落叶乔木或灌木 植株表面具有棘刺 叶呈条形或条状被针形 两端趋尖 背面密被淡白色鳞片 叶柄极短 沙棘花先于枝叶开放 雌雄异株 果实为肉质花被筒包围 近于球形 直径5 10mm 沙棘喜阳 粗壮的枝干抗风沙 沙棘叶 皮 果实及种子在医药上有着广泛的应用价值 沙棘的嫩枝 嫩叶是牛 羊的精饲料 被誉为 铁杆牧草 沙棘果维生素含量极高 营养保健价值高 有利于增加种植者的收入 沙棘是半干旱黄土高原迅速绿化荒山 保持水土 调节生态平衡和促进农林牧业发展的良好树种 内蒙古鄂尔多斯等地区 实施沙棘生态工程 大面积种植沙棘 有效地控制了沟道水土流失 每年可减少流入黄河泥沙2100万吨 2 山杏 主要指西伯利亚杏 它抗寒 耐旱 适应性强 是我国北方最普遍的果树之一 是绿化荒山 水土保持 防治风沙的先锋树种 山杏果仁营养丰富 含有大量维生素 微量元素和人体必需的氨基酸 是加工饮料的优质原料 3 刺槐 属落叶乔木 适应性强 在年降水量200mm左右 年平均气温不低于3 的地区都能生长 它不仅生长快 且耐盐碱 有涵养水源和保持水土的作用 刺槐泌蜜丰富 蜜质优良 是主要蜜源植物之一 刺槐不仅可改善生态环境 还可用于发展畜牧业 4 锦鸡儿 又称拧条 豆科 多年生落叶灌木 根系发达 具根瘤 高1 5 3m 耐干旱和寒冷 喜生沙地或半固定的沙丘上 不怕沙压和风蚀 此种植物广泛分布于我国东北 内蒙古 河北 山西 陕西 宁夏等地 可用于防风固沙 保持水土 枝条可用于编筐 其枝叶是牛 羊等冬春季节主要的饲料之一 5 杜梨 蔷薇科梨属落叶乔木 可高达10m 原产于我国华北 西北及东北南部 耐寒 耐干旱 瘠薄 能在含盐量0 5 质量分数 的土壤中正常生长 且耐涝性也较强 6 沙枣 胡颓子科胡颓子属 落叶小乔木 分布于华北及西北等地 耐盐碱力较强 7 合欢 豆科合欢属 落叶乔木 可高达20m 分布于华北 西北及黄河以南等地区 耐盐碱力较强 但不耐水涝 8 臭椿 苦木科臭椿属 落叶乔木 可高达25m 原产于华南 华北 西北各地 抗性强 生长快 耐盐碱力强 西北畜牧养殖应该注意牲畜数量不能超过草地的承载量 针对公共草地的过度放牧问题 应该实行草地承包 调动个人的管理积极性 减少过度放牧现象 另外 可以在有条件的地方 人工种植牧草 增加牧草产量 处理好生物与环境的协调与平衡 需要考虑环境承载力 环境承载力又称环境容纳量是指某种环境所能养活的生物种群的数量 4 整体性原理 进行生态工程建设时 不但要考虑到自然生态系统的规律 更重要的是 要考虑到经济和社会等系统的影响力 另外 社会习惯 法律制度等也都对生态工程建设有着重要影响 人类处在一个社会 经济 自然复合而成的系统中 整体指社会 经济 自然复合成的巨大系统 5 系统学和工程学原理 系统的结构决定功能原理生态工程需要考虑系统内部不同组分之间的结构 通过改变和优化结构 达到改善系统功能的目的 系统结构决定功能原理 若把系统的结构比作计算机网络 分析三种计算机网络结构示意图 工作的可靠性哪个高 系统结构决定功能原理 运用 改善和优化生态系统的结构 5 系统学和工程学原理 系统结构决定功能原理 高效生态系统 运用 改善和优化生态系统的结构 2 系统整体性原理 系统性整体性原理 系统各组分之间要有适当的比例关系 只有这样才能顺利完成能量 物质 信息等的转换和流通 并且实现总体功能大于各部分之和的效果 即 1 1 2 你能举出系统整体功能大于部分之和的例子吗 5 系统学和工程学原理 系统整体性原理实例例如 珊瑚礁之所以能够保持很高的系统生产力 得益于珊瑚虫和藻类组成的高效的植物 动物营养循环 通常情况下 失去了共生藻类的珊瑚虫会因为死亡而导致珊瑚礁逐渐 白化 失去其鲜艳的色彩 那里的生物多样性也将锐减 从而造成系统的崩溃 你能举出系统整体功能大于部分之和的例子吗 豆科作物和固氮菌的共生就是一例 固氮菌为豆科作物提供氮素 而豆科作物为其提供能量和其他营养 两者的共生使豆科作物能够在氮素缺乏的土地上生长 当把它们分开时 两者的生长都要受到损害 整体性原理和系统整体性原理的比较整体性原理指社会 经济 自然三方面协调统一 保障整个系统的稳定与平衡 如林业建设中自然系统 社会与经济系统的关系问题 即种树的同时考虑经济收入 粮食 燃料等问题 系统整体性原理指整体大于部分之和 目的是保持系统有很高的生产力 具体的说指互利共生的生物体现系统整体性原理 如藻类和珊瑚虫 大豆和根瘤菌 地衣植物中藻类和真菌等 目前 一些发达国家的生态工程建设主要依据生态系统的自我调节理论 达到了以回归自然为主 人为调控为辅的程度 而在我国的生态工程建设中 人为调控仍起着较大的作用 强调按预期目标 因地制宜地调整复合生态系统的结构和功能 调控生态系统内形成互利共生网络 多层次分级利用物质 能量 空间 时间 促进系统的良性循环 以达到经济 生态和社会效益的统一 生态工程的设计还必须遵循社会发展和经济运行的基本规律 运用系统工程的理论和方法来指导生态工程的实施和管理 生态工程基本原理 生态工程之沼气工程 生态工程之沼气工程 实践活动 思考题1 为什么我国要大力发展沼气工程 21世纪是实现我国农业现代化的关键历史阶段 现代化的农业应该是高效的生态农业 沼气工程把农业生产 农村经济发展和生态环境保护 资源高效利用融为一体 不仅较好地解决了农村的能源来源问题 而且实现了废弃物的再循环利用和资源化 创造了新的生态产业 如沼气设施的建设和维护 促进了以农牧结合为中心的多种经营 从而为农村剩余劳动力提供了就业机会 促进了农村的综合发展 2 目前沼气工程还有哪些亟待解决的问题 目前沼气工程存在的问题有 北方地区沼气产气在冬天不稳定 需要加热 沼气的一次性投资较大 相当部分的农民财力有困难 对沼气的研究较薄弱 例如 对发酵过程中有关微生物及一些酶的研究 应当加强这方面的研究 以促进沼气工程的推广 桑基鱼塘分布在我国长江三角洲 珠江三角洲一带的水乡 是一种典型的水陆物质和能量交换型生态工程 试分析桑基鱼塘的物质和能量流动途径 桑基鱼塘